- •Мікрогетерогенні системи, розчинни високомолекулярних сполук. Системи з рідкою дисперсною фазою
- •Практичне значення емульсій і емульгування
- •3.1 Системи з твердим дисперсійним середовищем
- •Напівколоїди і розчини високомолекулярних сполук
- •1. Мила та їх властивості
- •Високомолекулярні сполуки (вмс)
- •Набухання вмс та елементи теорії їх розчинення вмс
- •Розчини високомолекулярних електролітів. Властивості розчинів білків. В'язкість розчинів вмс, залежність в'язкості від рН середовища. Ізоелектричний стан. Характеристика деяких властивостей вмс
- •Поліелектроліти
- •Білки як поліелектроліти
- •Ізоелектрична точка білків
- •Порушення стійкості розчинів вмс. Висолювання, коацервація Коагуляція розчинів високомолекулярних сполук
- •Коацервація
- •Гелі, їх виникнення, будова і властивості
- •Синерезіс гелів
- •Б – розділення гелю на дві фази
- •Тиксотропія
Мікрогетерогенні системи, розчинни високомолекулярних сполук. Системи з рідкою дисперсною фазою
До цього класу дисперсних систем належать суспензії, емульсії і піна. Слід зазначити, що для цих дисперсних систем дисперсійне середовище (рідина) – надто наближена умова.
1. Суспензії. Суспензії – це завись порошків у рідинах. При достат-ньому вмісті вологи до суспензій можна віднести ґрунти, глиняне тісто, цементні і вапняні розчини, кольорові лаки і фарби та ін.
Суспензії одночасно поглинають і розсіюють світло. При цьому, на від-міну від опалесцентних золів, вони виявляють каламутність не тільки в бічному, але й у прохідному світлі. Для них характерне подвійне промене-заломлення у потоці.
У суспензіях не спостерігаються такі явища, як осмотичний тиск, броунівський рух, дифузія, характерні для звичайних ліозолів. Крім того, суспензії належать до седиментаційно нестійких систем.
За агрегативною стійкістю суспензії мають багато спільного із звичай-ними ліозолями. Як правило, частинки суспензій мають подвійний електрич-ний шар. Електрохімічний потенціал можна визначити традиційними мето-дами (мікроелектрофорелектрофорез, або електроосмос). Суспензіям власти-ве явище коагуляції під дією електролітів.
Слід зауважити, що для суспензій спостерігаються процеси, не властиві для звичайних колоїдних систем. Деякі з них відбуваються по-іншому. До цих явищ належать седиментація і флотація, розглядалися вище, а також процеси фільтрації і кольматації. Фільтрація суспензій визначається дисперсністю і ступенем агрегації частинок, а також утворенням і здатністю до самоущільнення коагуляційної структури в осаді, що фільтрується. Тому фільтрація суспензій є складним фізико-хімічним процесом, на який впливають всі фактори, які керують агрегацією частинок і розвитком коагу-ляційних структур.
Таким же складним є й процес кольматації – проникнення (занесення) дрібних глинистих або мулистих частинок у пори ґрунту для зменшення водопроникності різних гідротехнічних споруджень – дамб, гребель та ін.
2. Емульсії. Емульсії – це колоїдні структури, в яких дисперсна фаза також є рідиною. Їх одержують за умов, подібних тим, які необхідні для одержання систем з рідким дисперсійним середовищем і твердою дисперс-ною фазою. Обидві рідини мають бути нерозчинними чи слабко розчинними одна в одній. При цьому в системі повинні бути стабілізатори, які у даному випадку називаються емульгаторами. Стійкість емульсій визначається співвідношенням густини фаз: чим ближче густина дисперсної фази до густини дисперсійного середовища, тим стійкіша емульсія з точки зору седиментації.
Характерним для емульсій є сферична форма частинок дисперсної фази. Дисперсність ліофобних емульсій, як правило, нижча, ніж дисперсність золів з твердою дисперсійною фазою.
Слід виділити з усього класу емульсій так звані критичні ліофільні емульсії. Вони, як правило, утворюються з двох рідин, які обмежено змішу-ються (наприклад, вода – анілін, вода – ізоаміловий спирт) при температу-рах, близьких до критичної температури змішування. Це така температу-ра, при якій поверхневий натяг на межі розподілу фаз мінімальний. За цих умов спостерігається ефект самодиспергування, в результаті якого утворюється найтонша емульсія. В такій емульсії процеси коалесценції компен-суються прагненням обох фаз до рівномірного розподілу по об'єму.
Зрозуміло, що будь-яка критична емульсія – це термодинамічна стійка система, яка потребує емульгаторів. Характерною її властивістю є існування в дуже вузькому температурному інтервалі і, крім того, непостійність складу частинок дисперсної фази. Це означає, що крапельки критичної емульсії постійно утворюються в системі і постійно зникають. Певною мірою цей процес нагадує утворення асоціатів у рідині в результаті флуктуації її густини.
Розглянемо деякі конкретні питання, пов'язані з утворенням і поведінкою емульсій.
Класифікація емульсій. Емульсії класифікують або за характером дисперсної фази і дисперсійного середовища, або за концентрацією дисперс-ної фази в системі.
Згідно з першою класифікацією емульсії поділяють на:
– емульсії першого виду, або прямі (емульсія олії у воді) – це неполярна або слабко полярна дисперсна фаза в сильно полярному дисперсійному середовищі;
– емульсії другого виду, або зворотні (емульсія води в олії) – сильно полярна дисперсна фаза і неполярне або слабко полярне дисперсійне середо-вище.
Згідно з другою класифікацією емульсії поділяють на розведені, концентровані і висококонцентровані, або желатиноподібні:
– розведені емульсії містять до 0,1% дисперсної фази. Вони, як правило, високодисперсні (частинки порядку 0,1 мкм); утворюються без введення в розчин емульгаторів. Певною мірою для цих емульсій властивий електро-форез, хоча про природу виникнення заряду не існує єдиної точки зору. Ці емульсії мають багато спільного з ліофобними золями. У першу чергу це стосується електрокінетичних властивостей систем (встановив Повіс). Агрегативна стійкість пояснюється незначною концентрацією частинок: імовірність зіткнення частинок дисперсної фази дуже мала.
– концентровані емульсії містять до 70 74 % дисперсної фази. Розмір їх коливається від 0,1 мкм до 10,0 мкм і вище. За розмірами частинок ці емульсії можна віднести скоріше до мікрогетерогенних систем. Вони легко седиментують, причому тим легше, чим більша різниця густини фаз. Якщо дисперсійне середовище має нижчу густину, то спостерігається ефект зворотної седиментації – частинки спливають.
– висококонцентровані емульсії (желатиноподібні) мають концентра-цію частинок вищу 75 %. Характерна риса – деформування крапельок дисперсної фази і їх схожість з багатогранниками. Особливі механічні властивості виявляються зі збільшенням концентрації: при досить великих концентраціях висококонцентровані емульсії набувають властивостей гелю. Наприклад, їх можна різати ножем.
Агрегативна стійкість. Як правило, емульсії агрегативно нестійкі через надлишок вільної поверхневої енергії на міжфазній поверхні. Процес довільного утворення агрегатів з окремих крапельок одержав назву коалес-ценції. Граничний випадок коалесценції – розшарування емульсії на два шари.
Агрегативна стійкість емульсій характеризується одним із двох або обома параметрами:
– швидкістю розшарування емульсії;
– тривалістю існування (часом життя) окремих крапель.
На агрегативну стійкість емульсій суттєво впливає наявність у системі емульгатора. Природа його визначає не тільки агрегативну стійкість, але й тип емульсії. Так, гідрофільні емульгатори сприяють утворенню емульсій типу «олія – вода» (о/в), а гідрофобні – емульсій типу «вода – олія» (в/о). Емульгаторами можуть бути різні за природою речовини: поверхнево-активні речовини (ПАР), іоногенні полімерні групи (мила в широкому розумінні цього терміну), неіоногенні ПАР, високомолекулярні сполуки і навіть порошки.
Стабілізуючу дію мила і милоподібних речовин на емульсії типу «олія - вода» пояснюють різними факторами:
– електричним зарядом, що виникає на поверхні крапельок емульсії, стабілізованої милом;
– утворенням на поверхні крапельок емульсії структурованих гелеподіб-них осадів емульгатора (роботи Ребіндера і Таубмана);
– адсорбцією на поверхні крапельок води досить довгих і гнучких ланцюгів мила (емульсії другого виду);
– захисною дією крупинок, які утворилися з лужноземельних мил або продуктів гідролізу (зворотні емульсії).
У цілому слід відзначити, що емульгуюча дія ПАР тим ефективніша, чим краще збалансовані полярні і неполярні частини емульгатора з обома фазами емульсії.
Стабілізація емульсій твердими емульгаторами можлива тільки тоді, коли розміри частинок порошку менші крапельок емульсії.
Методи одержання і руйнування емульсій. Основні практичні методи одержання емульсій – механічне диспергування дисперсної фази в дисперсійному середовищі в присутності емульгатора. Застосовують також струшування, вібрацію з використанням спеціальних емульгаторів, мішалки, колоїдні млини, ультразвук.
Крім того, емульсії можуть виготовлятися методом довільного диспергу-вання. Це, в першу чергу, олії, які застосовуються в техніці як охолоджу-вальні рідини при обробці металів методом різанням. Довільне диспергу-вання відіграє значну роль у живій природі в процесі травлення.
Іноді ставиться протилежне завдання – зруйнувати емульсію. Цей процес набагато складніший за процес емульгування. Реалізується він, як правило, за допомогою центрифугування, фільтрування, електрофорезу, нагрівання.
Для деяких емульсій спостерігається так зване обернення фаз: дисперсна фаза перетворюється в дисперсійне середовище, і навпаки. Таке явище спостерігається при введенні в емульсію речовин, здатних змінювати природу емульгатора.
Можливе утворення множинних емульсій (крапельки олії містяться усередині крапельок води).